미적분Ⅱ여러 가지 미분법수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

삼각함수 극한 도형

문제

그림과 같이 AB=1\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}} \mathit{=} 1, B=π2\displaystyle \angle \mathrm{B} = \frac{\pi}{2}인 직각삼각형 ABC\mathrm{ABC}에서 선분 AB\mathrm{AB} 위에 AD=CD\displaystyle {\overline{\mathrm{AD}}} = {\overline{\mathrm{CD}}}가 되도록 점 D\mathrm{D}를 잡는다. 점 D\mathrm{D}에서 선분 AC\mathrm{AC}에 내린 수선의 발을 E\mathrm{E}, 점 D\mathrm{D}를 지나고 직선 AC\mathrm{AC}에 평행한 직선이 선분 BC\mathrm{BC}와 만나는 점을 F\mathrm{F}라 하자. BAC=θ\angle \mathrm{BAC} = \theta일 때, 삼각형 DEF\mathrm{DEF}의 넓이를 S(θ)S \left( \theta \right)라 하자. limθ0+S(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{S \left( \theta \right)}{\theta}}의 값은? (단, 0<θ<π4\displaystyle 0 < \theta < \frac{\pi}{4}) [4점]

132\displaystyle \frac{1}{32}116\displaystyle \frac{1}{16}332\displaystyle \frac{3}{32}18\displaystyle \frac{1}{8}532\displaystyle \frac{5}{32}

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해설

[출제의도] 삼각함수의 극한을 활용하여 문제해결하기 AD=CD\displaystyle \mathrm{\overline{AD}} = \overline{CD}이므로 삼각형 ADC\mathrm{ADC}는 이등변삼각형이고, AE=CE\displaystyle \mathrm{\overline{AE}} = {\overline{CE}}이다. 또한, 선분 AC\mathrm{AC}와 선분 DF\mathrm{DF}가 평행하므로 BDF=θ\angle \mathrm{BDF} = \theta이고, 삼각형 DEF\mathrm{DEF}는 직각삼각형이다.

삼각형 ABC\mathrm{ABC}에서 AC=secθ\displaystyle {\overline{\mathrm{AC}}} \mathit{=} \sec \theta이므로 AE=12secθ\displaystyle {\overline{\mathrm{AE}}} \mathit{=} \frac{1}{2} {\mathrm{\sec}} \theta 삼각형 AED\mathrm{AED}에서 DE=AE×tanθ=12secθtanθ\displaystyle {\overline{\mathrm{DE}}} \mathit{=} {\overline{\mathrm{AE}}} \times \tan \theta = \frac{1}{2} \mathrm{\sec} \theta \tan \theta, AD=AE×secθ=12sec2θ\displaystyle {\overline{\mathrm{AD}}} \mathit{=} {\overline{\mathrm{AE}}} \times \sec \theta = \frac{1}{2} \mathrm{\sec} ^{2} \theta이므로 DB=112sec2θ\displaystyle {\overline{\mathrm{DB}}} \mathit{=} 1 - {\frac{1}{2}} \mathrm{\sec} ^{2} \theta 삼각형 DBF\mathrm{DBF}에서 DF=DB×secθ=secθ(112sec2θ)\displaystyle {\overline{\mathrm{DF}}} \mathit{=} \overline{\mathrm{DB}} \times \sec \theta = \sec \theta \left( 1 - \frac{1}{2} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \right) S(θ)S \left( \theta \right)=12×DE×DF\displaystyle = \frac{1}{2} \times \mathrm{\overline{DE}} \times {\overline{DF}} =12×12secθtanθ×secθ(112sec2θ)\displaystyle = \frac{1}{2} \times \frac{1}{2} \mathrm{\sec} \theta \tan \theta \times \sec \theta \left( 1 - \frac{1}{2} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \right) =14sec2θtanθ(112sec2θ)\displaystyle = \frac{1}{4} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \tan \theta \left( 1 - \frac{1}{2} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \right) limθ0+S(θ)θ\displaystyle \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{S \left( \theta \right)}{\theta}}=limθ0+14sec2θtanθ(112sec2θ)θ\displaystyle = \lim\limits _{\theta \rightarrow 0 +} {\frac{\frac{1}{4} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \tan \theta \left( 1 - \frac{1}{2} \mathrm{\sec} ^{2} \theta \right)}{\theta}} =18\displaystyle = \frac{1}{8}

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